JP2010231196A - 光路変換素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械的強度を備えながらコアの曲率半径を小さくできると共に小型化を図ることが可能な光路変換素子、及び簡単且つ安価に光路変換素子の製造が可能な光路変換素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 光路変換素子１は、第１の光硬化樹脂から形成される複数の板状体部１１が所定の距離に配置されたクラッド１と、板状体部１１間に挟まれるようにしてクラッド１にＬ字形に設けられると共に第１の光硬化樹脂よりも屈折率が大きい第２の光硬化樹脂から形成される第１及び第２のコア２，３とを有している。第１及び第２のコア２，３と板状体部１１とは、交互に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光路を所定の角度に変換する光路変換素子及びその製造方法に関する。

デジタル電子機器等においては、大量のデータをメタル配線により伝送することに限界が見えてきている。そこで、メタル配線に加えて光ファイバ等の光伝送媒体による光電気混在の伝送が注目されている。光伝送を行う場合、電気−光変換、または、光−電気変換、を行うに際し、光半導体素子と光伝送媒体との間に光路を所定の角度、例えば９０°や１８０°変換する光路変換素子を設けたい場合がある。光路を９０°に変換する光路変換素子として、例えば非特許文献１に示される光路変換素子（光軸変換素子）がある。この光路変換素子について図６を示して説明する。

図６は、従来の光路変換素子を示す断面図である。この光路変換素子２００は、所定の曲率半径を持ったガイド孔２０２Ａ，２０２Ｂが設けられているブロック２０１と、ガイド孔２０２Ａ，２０２Ｂに挿入されたシリカ光ファイバアレイ２０３Ａ，２０３Ｂとを備えて構成されている。すなわち、ブロック２０１の上面側に穿設されたガイド孔２０２Ａ，２０２Ｂはカーブを描きながら図６におけるブロック２０１の右側面側に至るようにして形成されており、ガイド孔２０２Ａ，２０２Ｂに挿入されたシリカ光ファイバアレイ２０３Ａ，２０３Ｂは９０°方向に折り曲げられるようにして配置されている。

そして、ブロック２０１の上面側に位置するシリカ光ファイバアレイ２０３Ａ，２０３Ｂの端部に矢印Ｂ方向からそれぞれ光を入射すると、入射された光はシリカ光ファイバアレイ２０３Ａ，２０３Ｂ内をそれぞれ伝搬し、９０°折り曲げられてブロック２０１の右側面に位置するシリカ光ファイバアレイ２０３Ａ，２０３Ｂの端部から矢印Ｃ方向へ出射する。

ＴＥＣＨＮＯ−ＣＯＳＭＯＳ 2008 Mar.Vol.21［「ポリマー光導波路材料「グラシアＷＧ」を用いた光インターコネクト用積層型光導波路」］

しかし、上述した従来の光路変換素子は、ファイバを屈曲させているためコアの曲率半径を小さくすることが難しく、装置全体の小型化を図ることが困難であった。また、曲率半径を小さくすることが可能な光路変換素子であっても、コア部とクラッド部の屈折率差が小さいことから光取り出し効率が悪化してしまい、曲げ部の曲率半径を小さくするには限界（例えば、２ｍｍまで）があった。さらに、光路変換素子の構造的な強度も確保する必要がある。

従って、本発明の目的は、機械的強度や高い光取り出し効率を備えながらコアの曲率半径を小さくして小型化を図ることが可能な光路変換素子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、簡単且つ安価に曲率半径の小さな光路変換素子を製造することが可能な光路変換素子の製造方法を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、外部からの力に対しても容易に変形することを防止して小型でありながら取り扱いの容易な光路変換素子及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の本発明は、複数の板状体部を備え、板状体部が所定の距離を隔てて配置されたクラッドと、板状体部の相互間に挟まれるようにしてクラッドに設けられ、クラッドよりも屈折率が大きく且つ全体が所定の角度を有する光硬化樹脂から形成されるコアとを有することを特徴とする光路変換素子を提供する。

上記目的を達成するため、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の光路変換素子において、コアが板状体部によって挟持されていない部分のクラッドの相互間は、空気層となっていることを特徴とする。

上記目的を達成するため、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の光路変換素子において、コアは、曲率半径の異なる複数のコアが同一平面上に相似に配設されていることを特徴とする。

上記目的を達成するため、請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光路変換素子において、互いに隣り合う板状体部の相互間に、コアに入射された光に対して光学的に影響を与えない部分に補強部を設けたことを特徴とする。

上記目的を達成するため、請求項５に記載の本発明は、所定間隔を隔てて配設された複数の板状体部を有するクラッドを製造する第１の工程と、クラッドよりも屈折率が大きい光硬化樹脂を複数の板状体部の相互間に介在させ、コア形状に対応したスリットを有するコア用のフォトマスクを通して光を照射し、この光を照射した部分が硬化後に光を照射しなかった部分を除去してコアを製造する第２の工程とを有することを特徴とする光路変換素子の製造方法を提供する。

上記目的を達成するため、請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の光路変換素子の製造方法において、第１の工程は、所定のサイズを有するクラッド用の光硬化樹脂に対し、板状体部及び連結部を形成するために開口部が櫛形のスリット形状を有するクラッド用のフォトマスクを通して光を照射し、この光を照射した部分が硬化後に光を照射しなかった部分を除去してクラッドを製造することを特徴とする。

上記目的を達成するため、請求項７に記載の本発明は、請求項５に記載の光路変換素子の製造方法において、第２の工程は、複数のコアに対応した形状を有するフォトマスクをコア用のフォトマスクに用い、複数のコアを同時に作製することを特徴とする。

上記目的を達成するため、請求項８に記載の本発明は、請求項５から７のいずれか１項に記載の光路変換素子の製造方法において、第２の工程は、コアを製造するための光硬化樹脂のうち、コアに入射された光に対して光学的に影響を与えない部分を光硬化することによって補強部を形成することをさらに備えていることを特徴とする。

本発明の光路変換素子によれば、機械的強度や高い光取り出し効率を備えながらコアの曲率半径を小さくすることを可能としたので容易に小型化を図ることができるという効果がある。

本発明の光路変換素子の製造方法によれば、簡単且つ安価に曲率半径の小さな光路変換素子を製造することができるという効果がある。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る光路変換素子を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す光路変換素子のクラッドの製造工程を示す図である。 図３（ａ）〜（ｆ）は、図１に示す光路変換素子のコアの製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光路変換素子の実施例を示す特性図である。 光路変換素子の比較例を示す特性図である。 従来の光路変換素子を示す断面図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、補強部を備えた光路変換素子を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 補強部の他の形成位置を示す図である。

本発明に係る光路変換素子及びその製造方法について図面を参照しつつ以下詳細に説明する。図１は、本発明に係る光路変換素子の一実施形態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。図示された光路変換素子１００は、同一サイズの複数の板状体部１１が等間隔（例えば、２５０μｍ間隔）に配置されると共に、板状体部１１の各一端が連結部１ａによって連結されて形成されたクラッド１と、このクラッド１内に所定間隔に設けられた略Ｌ字形又は櫛形の複数の第１及び第２のコア２，３とを有して形成されている。なお、複数の板状体部１１は、例えば、厚みが２００μｍを有している。

クラッド１と第１及び第２のコア２，３は、いずれも光硬化樹脂から形成されるが、クラッド１を形成する光硬化樹脂（第１の光硬化樹脂）の屈折率は第１及び第２のコア２，３を形成する光硬化樹脂（第２の光硬化樹脂）の屈折率よりも小さくなっている。例えば、第１の光硬化樹脂の屈折率を１．５２、第２の光硬化樹脂の屈折率を１．５５とする組合せや、第１の光硬化樹脂の屈折率を１．４９８、第２の光硬化樹脂の屈折率を１．５６９とする組合せ等がある。なお、上記光硬化樹脂には、紫外線の照射によって硬化する紫外線硬化樹脂などが含まれる。

第１及び第２のコア２，３は、その両側面（図１（ｂ）に示すコア２，３の左右側）がクラッド１の隣り合う２つの板状体部１１にそれぞれ接する様にして同一平面に設けられている。更に、第１及び第２のコア２，３を除くクラッド１の板状体部１１の相互間には、第１及び第２のコア２，３が介在しない空気層４が形成されている。

ここで、第２のコア３は、図１（ｃ）に示すように、第１のコア２の内側に設けられているので、その全長は第１のコア２より短く、且つ、曲率半径は小さくなっている。また、複数の第１のコア２と複数の第２のコア３とによってｍ×ｎチャンネルのマルチコアを形成している。第１及び第２のコア２，３のそれぞれは、図１（ａ），（ｃ）に示すように、共にカーブを描くようにして９０°に折り曲げられており、その折り曲げ部は所定の曲率半径（Ｒ）、例えば第１のコア２は、Ｒ＝０．２５ｍｍを有している。

なお、光路変換素子１００は、第１及び第２のコア２，３のいずれか一方のみが設けられた構成であってもよい。或いは、第３のコア又はそれ以上の数のコアを有する構成であってもよい。

上記の構成による光路変換素子１００は、櫛形とされた板状体部１１の開放端側は互いに隣り合う２つ板状体部１１，１１に挟まれるようにして形成された空気層４となっていることから、図１（ｂ）における左右の側面の上部又は下部に力が加わった場合には板状体部１１、すなわち、クラッド１が変形するおそれがある。そのため、図７に示す実施形態では、コア２，３に入射された光に対して光学的に影響を与えない部分に補強部２０が設けられている。

すなわち、図７に示す光路変換素子１００は、櫛形とされた板状体部１１の上部側開放端側の空気層４には互いに隣り合う２つ板状体部１１，１１に挟まれるようにして、補強部２０が設けられている。この補強部２０は光硬化樹脂を光で硬化させることによって形成することができる。これにより、図７（ｂ）に示すように板状体部１１の上部側開放端側にＤ方向に力が加わった場合でもクラッド１が容易に変形することが防止される。尚、具体的な製造方法は後述する。補強部２０は、図７に示すような板状体部１１の上部側開放端側のみならず、図８に示すように下部側開放端側や連結部１ａとコア２との間であってコア２，３に入射された光に対して光学的に影響を与えない部分のいずれにも形成することができる。

［光路変換素子の製造方法］
次に、光路変換素子１００の製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、最初にクラッド１を製造し、次に、クラッド１に第１及び第２のコア２，３を設けるというステップを備えている。なお、以下に説明する各加工及び各処理は、人の手作業又は自動加工装置のいずれによっても行うことが可能である。

（Ａ）クラッドの製造
図２（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す光路変換素子のクラッドの製造工程を示す図、図３（ａ）〜（ｆ）は、図１に示す光路変換素子のコアの製造工程を示す図である。なお、以下においては、クラッド１及び第１及び第２の光硬化樹脂として紫外線硬化樹脂を用い、その硬化には紫外線を用いている。

まず、図２（ａ）に示すように、クラッド用の第１の光硬化樹脂７をノズル５から基台６に滴下して所定のサイズを有する樹脂山８を形成する。基台６は、例えば、紫外線、腐食及び磨耗等に耐える特性を有し、且つ耐薬品性を備えたステンレス等の金属や、セラミック、セラミックス等を用いて構成されている。なお、樹脂山８の形状は、図２（ａ）に示す饅頭形に限るものではなく、最終的に得たいクラッド１のサイズ以上を有するものであればどのような形状であってもよい。この樹脂山８の形成に際しては、例えば、図２（ａ）のように単に滴下する方法のほか、例えば、型枠等を基台６に置き、この型枠内に光硬化樹脂７滴下するようにしてもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、図１に示した板状体部１１の形成領域に対応した開口９０を有するクラッド用の第１のフォトマスク９を用意し、この第１のフォトマスク９を樹脂山８の上面に水平にセットする。この状態のまま、図２（ｃ）に示すように、紫外線ランプ等による紫外線（ＵＶ）を所定時間（第１の光硬化樹脂７の硬化に要する時間）、第１のフォトマスク９の上方から照射する。

次に、紫外線（ＵＶ）の照射部分（板状体部１１の部分）が硬化した時点で、図２（ｄ）に示すように樹脂山８から第１のフォトマスク９を取り除く。ついで、エタノール、プロパノール等を用いた洗浄処理により、第１のフォトマスク９を通して紫外線（ＵＶ）が照射されなかった部分の第１の光硬化樹脂７を樹脂山８から除去する。これにより、図２（ｅ）に示すように、複数の板状体部１１及び空気層４を有するクラッド１が完成する。

（Ｂ）コアの製造
次に、図３に示す工程により第１及び第２のコア２，３をクラッド１内に作製する。まず、図２（ｅ）の工程で得られたクラッド１上に、図３（ａ）に示すように、空気層４内に樹脂が浸入する程度にコア用の第２の光硬化樹脂１０をノズル１２から滴下する。

次に、図３（ｂ）に示すように、第２の光硬化樹脂１０で覆われた樹脂山８の側面（図３（ｂ）の正面）に、第１及び第２のコア２，３用の第２のフォトマスク１３をセットする。この第２のフォトマスク１３は、第１及び第２のコア２，３に対応する部分に９０°に折り曲げられた開口１３０が設けられている。ここで、開口１３０の形状は９０°に折り曲げたものに限るものではなく、任意の角度に折り曲げたものとすることができる。これにより、任意の角度で光路変換を行うことが可能な光路変換素子を形成することができる。また、開口１３０の形状を、例えば、Ｕ字状に形成すれば光路を１８０°変換する光路変換素子を形成することもできる。

次に、図３（ｃ）に示すように、第２のフォトマスク１３に向けて紫外線（ＵＶ）を所定時間（第２の光硬化樹脂１０の硬化に要する時間）照射する。その後、第２のフォトマスク１３を通して紫外線（ＵＶ）が照射された部分（コア２，３の部分）が硬化した時点で、図３（ｄ）に示すように、樹脂山８から第２のフォトマスク１３を取り除く。ついで、図３（ｅ）に示すように、エタノール、プロパノール等を用いた洗浄処理により、樹脂山８から紫外線（ＵＶ）が照射されなかった部分（空気層４の部分）に介在する第２の光硬化樹脂１０を除去する。

次に、図３（ｆ）に示すように、複数の第１及び第２のコア２，３が設けられたクラッド１を基台６から剥離する。これにより、図１に示した光路変換素子１００が完成する。

なお、上述のクラッドの製造工程では、クラッド１をクラッド用の第１のフォトマスク９を介して光硬化樹脂７に光を照射することによって製造したが、クラッド１はこのような製造方法に限るものではなく、例えば、金型などを利用した樹脂成型によって形成することも可能である。

次に、空気層４の所定の箇所に補強部２０を形成する方法について説明する。複数の板状体部１１及び空気層４を有するクラッド１を形成する方法は上述した通りである。そして、コア２，３を形成する工程において、コア２，３に入射された光に対して光学的に影響を与えない部分をコア２，３の形成と同時に光硬化することによって補強部４を形成する。すなわち、コア２，３を形成するために使用する第２のフォトマスク１３の所定箇所、例えば、図３（ｂ）、（ｃ）に示された第２のフォトマスク１３の右側上部に矩形状の図示しない開口をさらに形成しておき、この矩形状の開口にも紫外線（ＵＶ）を照射することによってコア２，３の形成と共に硬化させる。そして、コア２，３及び補強部２０が硬化したら樹脂山８から第２のフォトマスク１３を取り除く。ついで、図３（ｅ）に示すように、エタノール、プロパノール等を用いた洗浄処理により、樹脂山８から紫外線（ＵＶ）が照射されなかった部分（空気層４の部分）に介在する第２の光硬化樹脂１０を除去することで補強部２０を設けることができる。

補強部２０は、図７に示すような板状体部１１の上部側開放端側のみならず、図８に示すように下部側開放端側や連結部１ａとコア２との間であってコア２，３に入射された光に対して光学的に影響を与えない部分のいずれにも形成することができる。この場合、第２のフォトマスク１３の適宜の位置に開口部を設けて紫外線（ＵＶ）を照射可能とすることで光路変換素子１００の適宜の位置補強部２０を形成することができる。

［実施の形態の効果］
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）クラッド１及び第１及び第２のコア２，３に光硬化樹脂７，１０を用いた簡単な構成により、所定の角度に光路変換する光路変換素子１００の小型化を図ることができる。
（２）クラッド１に対して第１及び第２のコア２，３を流し込んでクラッド１と第１及び第２のコア２，３とを樹脂同士で一体化した構造であるため、十分な機械的強度を得ることができる。
（３）第１及び第２のコア２，３がクラッド１に接触しない部分は空気層４になっているため、第１及び第２の２，３とクラッド１との屈折率の差を従来よりも大きくすることができ、これにより、光取り出し効率を低下させることなく曲げ部の曲率半径（Ｒ）を小さくすることができるので容易に小型化を図ることができる。
（４）光路変換素子１００は、クラッド１と第１及び第２のコア２，３とに光硬化樹脂７，１０を用い、これに対し、第１，第２のフォトマスク９，１３を用いて順次紫外線を照射した後、照射毎に不要な部分を除去する工程により、簡単且つ安価に小型の光路変換素子１００を製造することができる。
（５）補強部２０を設けることで板状体部１１の外部からの力に対して容易に変形することを防止してクラッド１の形状維持を図ることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る光路変換素子の実施例を示す特性図である。この特性図は、断面形状が５０×５０μｍのコアにおける曲率半径と光取り出し効率の関係を示している。図４から明らかな様に、曲率半径が０．２５ｍｍと小さな場合でも、損失は０．２１ｄＢ程度と小さくなっている。従って、２ｍｍ程度を必要とした従来構成に比べ、光路変換素子１００の大幅な小型化が可能であることが分かる。

［比較例］
次に、本発明の比較例について説明する。図５は、光路変換素子の比較例を示す特性図である。この比較例は、図１に示した本実施の形態に係る光路変換素子１００において、第２のコア３を設けない構成とし、第１のコア２の屈折率を１．５５及びクラッド１の屈折率を１．５２とし、更に光線の拡がり角を２０°として光取り出し効率（ｄＢ）とコアの曲率半径（ｍｍ）の関係を２つのケースについて測定して得た結果である。

図５の特性ａは、空気層４を有する構成（本発明の実施の形態に係る光路変換素子１００に相当）の場合である。また、特性ｂは、空気層４を持たない構成、つまり第１のコア２が光入力部及び光出力部を除き他の部分がクラッド１で覆われている構成（従来構成）の場合である。なお、光取り出し効率は、図１の第１のコア２の上部から光を入射し、同図の右側面から光を出射させた場合の出力差（ｄＢ）を解析したものである。

図５から明らかなように、特性ａは、曲率半径を０．２５ｍｍから２．０ｍｍまで変えても、光取り出し効率に殆ど変化は見られない。これに対し、特性ｂは、曲率半径が小さくなるほど光取り出し効率が低下している。このように、クラッド１に空気層４を設けることにより、光取り出し効率を改善できることが分かる。また、光取り出し効率が低下しないことから、曲率半径を任意に選択可能であることが分かる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施例に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、第１及び第２のコア２，３は、９０°に曲げた例を示したが、他の角度、例えば４５°、６０°１８０°等の任意の角度であってもよい。また、第１及び第２のコア２，３の全体が角度を有していてもよい。

また、第２の光硬化樹脂１０は、滴下するものとしたが、他の方法、例えば、図２（ｅ）の様に完成させたクラッド１の空気層４の部分に圧入する方法でもよい。

１ クラッド
２ 第１のコア
３ 第２のコア
４ 空気層
５ ノズル
６ 基台
７ 第１の光硬化樹脂
８ 樹脂山
９ 第１のフォトマスク
１０ 第２の光硬化樹脂
１１ 板状体部
１２ ノズル
１３ 第２のフォトマスク
２０ 補強部
９０ 開口
１００ 光路変換素子
１３０ 開口

Claims (8)

1. 複数の板状体部を備え、前記板状体部が所定の距離を隔てて配置されたクラッドと、
   前記板状体部の相互間に挟まれるようにして前記クラッドに設けられ、前記クラッドよりも屈折率が大きく且つ全体が所定の角度を有する光硬化樹脂から形成されるコアとを有することを特徴とする光路変換素子。
2. 請求項１に記載の光路変換素子において、
   前記コアが前記板状体部によって挟持されていない部分の前記クラッドの相互間は、空気層となっていることを特徴とする光路変換素子。
3. 請求項１に記載の光路変換素子において、
   前記コアは、曲率半径の異なる複数のコアが同一平面上に相似に配設されていることを特徴とする光路変換素子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光路変換素子において、
   互いに隣り合う前記板状体部の相互間に、前記コアに入射された光に対して光学的に影響を与えない部分に補強部を設けたことを特徴とする光路変換素子。
5. 所定間隔を隔てて配設された複数の板状体部を有するクラッドを製造する第１の工程と、
   前記クラッドよりも屈折率が大きい光硬化樹脂を前記複数の板状体部の相互間に介在させ、コア形状に対応したスリットを有するコア用のフォトマスクを通して光を照射し、この光を照射した部分が硬化後に光を照射しなかった部分を除去してコアを製造する第２の工程と、
   を有することを特徴とする光路変換素子の製造方法。
6. 請求項５に記載の光路変換素子の製造方法において、
   前記第１の工程は、
   所定のサイズを有するクラッド用の光硬化樹脂に対し、前記板状体部及び連結部を形成するために開口部が櫛形のスリット形状を有するクラッド用のフォトマスクを通して光を照射し、この光を照射した部分が硬化後に光を照射しなかった部分を除去して前記クラッドを製造することを特徴とする光路変換素子の製造方法。
7. 請求項５に記載の光路変換素子の製造方法において、
   前記第２の工程は、
   複数のコアに対応した形状を有するフォトマスクを前記コア用のフォトマスクに用い、複数のコアを同時に作製することを特徴とする光路変換素子の製造方法。
8. 請求項５から７のいずれか１項に記載の光路変換素子の製造方法において、
   前記第２の工程は、
   前記コアを製造するための光硬化樹脂のうち、前記コアに入射された光に対して光学的に影響を与えない部分を光硬化することによって補強部を形成することをさらに備えていることを特徴とする光路変換素子の製造方法。

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